sunnuntai 7. helmikuuta 2010

Triken takatuenta ja ajogeometria

Aiemmin en "Carillofornia Trikeä" tehdessä alustan geometriaan kovastikaan perehtynyt. Silloinen käytettävä rakenne ei juurikaan siihen luonut tarvetta. Tuentahan oli yksinkertaisin mahdollinen joka perustui alkuperäiseen takahaarukkaan jäykästi kiinnitettyyn taka-akseliin. Jousitus säilyi alkuperäisenä. Oikeastaan merkittävin muutos, tai lisä, oli vinojen lisätukien asentaminen läheltä takapyöriä suoraan takahaarukan laakerointipisteeseen mutta rungon ulkopuolelle taka-haarukan akselin jatkeisiin. Päältä katsoen ratkaisu näyttää kärjestään katkaistulta tasasivuiselta kolmiolta jonka kannan päissä on pyörät. Muutoin itse pyörän ajogeometriaan ei juurikaan puututtu jos keulaputkien parin sentin ylösottoa sellaiseksi lasketa.

Työnimeltä "California Trike" nyttemmin nimetty uudelleen: Carillofornia Trike.

Carillofornia Triken tuenta.

Ylempi kaavio on kuvanto ylhäältä päin katsoen. Sininen kehys kuvaa pyörän runkoa. Punaiset pitkittäiset lisätuet ovat takapäästään kiinteästi kiinni taka-akselissa ja etupäästään laakeroidut samalle akselille kuin takahaarukkakin. Takahaarukka on takapäästään kiinni taka-akselissa ja perävaihteessa. Kardaani kulkee alkuperäisessä tunnelissaan perävaihteeseen. Kaavioista puuttuvat joustintuet. Ne jäivät alkuperäisille paikoilleen.
Tätä rakennetta varten piti taka-akselia jatkaa vasemmalle. Lisäksi painava vetopyörästökotelo tulee sivuun pyörän keskilinjalta. Se aiheuttaa jousittamattoman massan ominaisuudessa epätasaista kuormitusta pyörän runkoon epätasaisella alustalla ajettaessa.
Koska kardaaniakseli on jatkettu suoraan perävaihteen yhteyteen siitä oli jätettävä pois pyörän alkuperäisessä rakenteessa oleva sysäyksenvaimennin ja sen kitkavaimennin. Niiden puuttuminen saattaa aiheuttaa voimansiirron nopeampaa kulumista. Vaihteiston yhteydessä on kuitenkin vielä yksi vaimennin.

Kokonaisuudesta tulee melko korkea eli ajoneuvo madaltuu vain sen verran kuin takapyörien säde lyhenee alkuperäiseen takapyörään nähden.
Takatuenta on suurelta osin yhdessä tasossa joten se on herkkä kiertymään rungon suhteen. Vaikka osat ovat merkittävän ylimitoitettuja saattaa myöhemmin ilmetä metallin väsymistä joko takahaarukan tyvessä tai pitkittäistukien takapäissä. Siksi järeähkö rakenne.

Uusia ideoita
Useissa kaupallisissa trike-sovelluksissa on käytetty poikittaistuentaa eli niissä on rakennettu takarunko johon pyörien erilliset tukivarret ja joustintuet kiinnittyvät ja joka kantaa jousitetun massan painon. Ratkaisut ovat kalliita ja hyvin painavia. Soveltuvat parhaiten isoihin kuusisylinterisiin moottoripyöriin. Eikä lainkaan jos muutos tehdään ajoneuvoluokkamuutoksena L3e -> L5e kantapyörään mikäli ei käytetä ennalta tyyppihyväksyttyä rakennetta. 

Nyt on tarkoitus tehdä kokonaan toisenlainen pitkittäistuettu ratkaisu. Siinä ei ole lainkaan kiinteitä liitoksia taka-akseliin vaan tukivarret ovat päistään nivelletyt. Niveltämiseen käytän autokäyttöön tarkoitettuja kumipuslia. Taka-akseliin pitää siis tehdä tarpeellisiin kohtiin kiinnityskorvakkeita tukivarsille.

Tekniikan ja geometrian aion kopioida auto- ja lentokonetekniikan puolelta soveltaen. Molempien alojen työkokemusta kun on kertynyt vuosikymmenet.

Olen käynyt kymmeniä tai jopa satoja nettisivuja lävitse joissa trikevalmistajat tai rakennussarjan myyjät tai yksittäiset rakentajat esittelevät tuotoksiaan. Jos lasketaan pois ns jäykät "perät" niin liki kaikki jousitetut, erillis- tai jäykällä taka-akselilla, tehdyt ratkaisut ovat joko monimutkaisia tai muutoin raskaita. Jopa hyvin raskaita.
Jäin siksi miettimään omaa ratkaisua joka ei olisi painava, on helppo asentaa tai purkaa ja käyttää mahdollisimman paljon pyörässä jo olevia rakenteita kuten alkuperäisiä akselien paikkoja ja joustintukien kiinnikkeitä. Tutkin myös mahdollisuutta siirtää mahdollisimman paljon painavia rakenteita joko pyörän painopisteen tuntumaan tai ainakin jousitetun massan puolelle. Lisäksi triken pitää kallistella kuten tavallinenkin moottoripyörä. Ainakin osittain.

Laki sanoo
EU:ssa ja Suomessa on lakeja jotka estävät tai rajoittavat (mm. verotus) valmistettavaksi ja rekisteröitäväksi muiden ajoneuvoluokkien ajoneuvoja L5e-luokan ajoneuvoksi. Siksi on helpompi ottaa aihioksi jo valmiiksi verotettu L3e-luokan ajoneuvo ja tehdä muutos siihen. Kokemuksen mukaan muutosprosentiksi tulee 10 - 20. Uudemmista kuin heinäkuussa 2004 rekisteröidyistä L3e  pyöristä voi olla hyvin hankala tehdä trikeä päästönormien vuoksi.

Tarkoitus on löytää ratkaisu joka soveltuu parhaiten tarkoitukseen ominaisuuksiltaan ja on kevyt. 
Tässä rajoitteena on aihiopyörälle ilmoitettu kokonaispaino. Se rajoittaa pyörän painon muutettunakin tämän rajan alle. Siksi amerikkalaistyyppiset rakennelmat eivät voi tulla kysymykseen vaan on tyydyttävä hennompaan rakenteeseen tai tingittävä kuljetuskapasiteetistä. Ensin lähtee matkustajan paikka. Muutoin ei muutostyölle ole merkittäviä esteitä. Tietenkin lisättyjen rakenteiden lujuudet ja mahdolliset aihiopyörään tehdyt muutokset pitää tosittaa kirjallisesti ja ajo- ja jarrutusominaisuudet alistaa hyväksytyn tarkastuslaitoksen tehtäväksi. Myös nopeusmittarin oikea näyttämä tulee todistuttaa ennen katsastukseen viemistä

Tavoitteena on tehdä takatuentarakenne jonka voi asentaa pienellä vaivalla ja kotioloissa 90-luvun Moto Guzzi California malleihin.

Tuenta
Lähtökohta on jäykkä taka-akseli pitkitäistuennalla. Koska kuormitus rakenteessa on alle puolet siitä mitä vastaavaan rakenteeseen kohdistuu autokäytössä niin rakenteetkin voivat olla puolet hennompia ja siten kevyempiä kun autossa.

Trikejä rakennetaan sekä erillisjousituksella että jäykällä taka-akselilla. Ilman monimutkaisia järjestelyjä ei jäykkään akseliin saa erillisjousitetun triken ominaisuuksia eikä myöskään toisin päin. Molemmilla järjestelyillä on omat hyvät puolensa ja puutteensa.

Tuennan lähtökohta ja idea.

Kuvaan on helposti kuviteltavissa Tonti-kaksoiskehtorungon takapään rakenne. 
Pidemmät tukivarret yltävät vinosti takahaarukan akseloinnin jatkeelle rungon ulkopuolelle. Lyhyt vastaavasti takajoustintukien yläpään korvakkeisiin. Kaikki niveltyvät kohdat ovat kumipuslia joten aivan kaikki tärinät eivät välity kiinnityspisteisiin. Kuvatussa rakenteessa on kuitenkin yksi moottoripyörässä haitallinen tekijä: Taka-akseli pääsee kallistumaan rungon suhteen. Ja myös toisin päin. Tämä ilmiö on ehkäistävissä tekemällä ylemmistä tukivarsista yksi rakenne eli laittamalla ristikkotuen varsien väliin.

Kuvasta pitää poistaa iskunvaimentimet ja Panhard-tanko. Niillä ei ole käyttöä eikä kuvan mukaista asennuskohtaakaan olemassa trikessä. Mikäli on tarvetta Panhard-tanko voidaan korvata Watts-tuennalla joka on asennettavuudeltaan ja sijoitettavuudeltaan helpompi tapaus.

Watts-tuennan toimintaperiaate.

Watts-vivuston voi sijoittaa mihin asentoon tahansa kunhan noudattaa rakenteen vaatimia geometrisia vaatimuksia. Tässä tapauksessa keskellä oleva punainen piste tulisi kiinteästi pyörän runkoon ja vastaavasti vipuvarsien ulommat päät liikkuisivat taka-akselin mukana. Joustomatka rajoittuu sille osuudelle kun keskipisteen (P) liikealue on täysin vertikaalinen. Eli päinvastoin kuin grafiikka osoittaa.


Jousitus
Tähän asti esitelty rakenne ei sisällä vielä jousitusta. Aion hyödyntää alkuperäisiä ja hyvin toimivia joustintukia jatkamalla ylemmän, sanottaisiinko keskituennan, vipuvarsia niiden kiinnityspisteestä eteenpäin ja laittamalla joustintuet sen ja pois otetun takahaarukan akselin välille. Näin sama tuenta hyödyntää kahta tarkoitusta samalla kertaa.


Kuvassa tuennan vipujen toiminnalliset linjat risteävät pisteessä "A". Omassa versiossani alatukivarret ovat kuormattuna tien pinnan suuntaiset ja ylempi vain hiukan "nyökällään" siten että linjat yhdistyvät vasta pyörän pitkittäisen massakeskipiteen etupuolella.

Alatukivarret aiheuttavat hyvin vähän kuormitusta pyörän runkoon. Lähinnä kysymyksessä ovat tukivarsien suuntaiset kuormitukset kiihdytyksen ja jarrutuksen suhteen. Niiden ei siis tarvitse olla kovinkaan kummoiset rakenteeltaan. Keskituenta sen sijaan pitää olla hyvinkin tukeva koska se siirtää rugon yläosaan sivuttaisia kuormia ja kantaa pyörän jousitetun massan painon.

Akselin vapausasteet.

Näistä kuudesta vapausasteesta pitää rakenteessa kyetä kokonaan eliminoimaan Fy. Lähes kokonaan pitää poistaa liike My. Liike Fx tietenkin valjastetaan siirtämään pyörän runkoa eteenpäin. Liike Fz on joustoliike ylös-alas suuunassa jota rajoitetaan ja vaimennetaan sopivassa määrin.
En esittele tässä matemaattisia laskelmia rakenteiden kuormituksesta. Tuon vain esille niiden olemassolon ja vaikutuksen.


De Dion tuenta
Kuvassa esitetty tuentatyyppi voi olla yksi mahdollinen lähtökohta suunnitella triken jousitus. Kuvan rakenteessa taapäin sojottavat tukivarret käännettäisiin vastakkaiseen suuntaan koska akselin takapuolella ei tule olemaan runkoon liitettyjä kiinnityspisteitä jo pelkästään painonsäästösyistä. Tässä rakenteessa niin jarrut kuin perävaihde tasauspyörästöineen liitettäisiin moottoripyörän rungon takaosaan ja vetoakselit lähtisivät takaviistoon alas.

Tiedosto:DeDion Axle Diagram.gif
De Dion-periaate takaa päin.

De Dionin idea on kytkeä takapyörät jäykästi yhteen mutta sallia samalla pyörien erillinen jousitusliike raidevälin lainkaan muuttumatta.

Trikelle on epätyypillistä, toisin kuin kaksipyöräiselle moottoripyörälle, kallistelu sisäkaarteen puolelle. Sellaisia kolmipyöräisiä on jotka kallistelevat mutta ne sisältävät varsin paljon mekaniikkaa toimiakseen halutulla tavalla. Vielä haitallisempaa on kaarteessa kallistuminen kaarteen ulkoreunaan päin. Sen voi eliminoida, tosin ei aivan kokonaan, rakentamalla riittävän jäykän rakenteen sivuttaisuunnassa. Silloin rakenteesta tulee raskas vaikkakaan ei monimutkainen. Yksinkertaisin ratkaisu on tehdä jäykkä, jousittamaton taka-akselin kiinnitys. Näitä ratkaisuja näkee amerikkailaisvalmisteisten moottoripyörien joukossa runsaimmin.

Voimansiirto rakentuu varsin perinteisistä osista: taka-akseli sisältää jo vetopyöräparin, tasauspyörästön ja vetoakselit. Vain jarrut pitää lisätä. Kardaanin osalta käytän vanhaa auton kaksinivelistä kardaaniakselia lyhennettynä ja kuminivelellä varustettuna. Kuusikulmainen kuminivel vaimentaa vetotavasta johtuvia värinöitä kuten ko pyörän alkuperäiseen takapyörään liittyvä kumivaimennin.

Kaarrekäyttäytyminen jäykällä ja erillisjousitetulla akselilla.

Juttuni sisältää kuva-aineistoa Samu Hyypiän opinnäytetyöstä vuodelta 2012 ja Sami Niemisen opinnäytetyöstä  vuodelta 2012. Myös joitain lainauksia muilta satunnaisilta nettisivuilta

Keulan geometriaa
Guzzin keulan ominaisuudet ovat varsin riittävät. Tässä tapauksessa on kyseessä säädettävillä jousipaineella, sisään- ja ulosjouston säädöillä varustetusta 40 mm keulaputkilla varustetusta keulasta jonka jättö on varsin pieni, alle 70 mm luokkaa.

Kuten Carillofornia Triken tapauksesta voidaan päätellä omistajan mielipidettä kuultuna että ohjattavuuteen ei tule suuriakaan ongelmia kolmipyöräisyydestä johtuen. Vain ohjaus on raskaahko ja sen rakennetta muutettiin keveämmän hallinnan suuntaan myöhemmin.

Takatuennan ratkaisuja 
Olen miettinyt edellä olevien ideoiden ja niiden ominaisuuksien pohjalta yksinkertaisinta mahdollista suuntaistuentaa joka ei johtaisi runkoon äkillisiä iskurasituksia eikä tien pinnan rakenteesta johtuvaa suuritaajuista tärinää. Lisäksi rakenteen pitää olla niin tukeva että runko pysyy taka-akselin suhteen kohtisuorassa asennossa. Mieluimmin kallistuisi sisäkaarteeseen päin.

Suuntaistuennalla tarkoitan ratkaisua joka muodostuu sivulta katsoen samansuuntaisista tai lähes samansuuntaisista päällekkäisistä ja pitkittittäisistä tukivarsista. Ominaista rakenteelle on että voimansiirron tuottamat ylös - alas momentit eivät vaikuta rungon asentoon. Haittana on että kardaaniakselissa pitää olla kaksi niveltä jotka sijoittuvat sen päihin. Etuna taas se että taka-akseliston rakenteen voi tehdä hyvin tasapainoiseksi koska vetopyörästön voi sijoittaa keskelle.

Kaavioita yksinkertaisimman rakenteen pohjalta.


California Adamantin rakenteet 
Toteutetuksi tuli toinen trike eli suunnilleen se mikä valmistui California Adamant -nimellä. Siinä otin huomioon vain harvoja yksityiskohtia edellä esitetyistä ratkaisuista.
Taka-akseli jäi jäykäksi mutta sen tuenta runkoon sallii taka-akselin kiertyä myös suuntaan Mx. Muita liikesuuntia joita California Adamantin takatuenta sallii ovat Mz ja Fz.

Ylös-alasuuntaisen normaalin joustoliikkeen lisäksi taka-akseli kiertyy pyörän pitkittäisakselin ympäri ja lisäksi toimii ohjaavana osana. Jyrkässä kaarteessa taka-akseli kiertyy rajoitetusti pystyakselinsa Fz ympäri.
Edellä olevan mahdollistamiseksi on pyörän etuosan oltava kallisteleva siten että etuosa pyörästä moottoreineen ja ohjauslaitteineen sekä matkustajineen kallistuu aina sisäkaarteeseen. Muutoin eturunko on pystyssä.
Rakenteesta on se hyöty että tien epätasaisuudet vaimentuvat hydraulisilla vaimentimilla normaalisti mutta sen lisäksi taka-akseli voi kallistua eturungon asennosta riippumatta eikä erityisesti vaikuta ajomukavuuteen.
Eturungon kallistus riippuu kaarteen jyrkkyydestä ja nopeudesta kuten soolopyörälläkin ajaessa. Tosin ei samassa mittakaavassa mutta kuitenkin sen verran riittävästi että ajaminen ei tunnu siltä että kaatuisi ulkokaarteen suuntaan mikä useimmista tuntuu epämiellyttävältä.

Haittapuolena on voimansiirron aiheuttamat liikkeet. Jos lähtee isommalla tehoasetuksella liikkeelle niin voimansiirto kiertää eturunkoa lievästi oikealle ja nostaa eturungon takapäätä. Aivan samoin kuin perinteisen takavetoisen autonkin käy. Se ei kuitenkaan heikennä hallittavuutta. Kovassa kiihdytyksessä myös kakkosvaihteelle vaihtaessa tuntee nämä liikkeet. 

Se on tullut havaittua että takajoustintukien toiminta pitää olla kunnossa. Asia ilmeni kun toinen takajoustintuista vioittui eli vaimennus ei enää toiminut alkoi eturunko vaappua ajaessa. 

Aion vielä kiinnittää huomiota eturungon liikevapauksiin mahdollisimman laajan liikemahdollisuuden varmistamiseksi.Kallisteleminen on kivaa vaikka trikeä ohjataankin eri tavalla kuin kaksipyöräistä moottoripyörää. Trikessä ei voi käyttää työntöohjausta.

Lisäys 07.02.2018
Tällä hetkellä minulla ei ole konepajaa jossa voisin muutostyöt saattaa päätökseen. Mutta voi California Adamantilla edelleen ajaa kun on uudet takajoustintuet. Kehitysmahdollisuuksia on jäljellä.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti